研究鉴定到NIN—NAD1是结瘤共生固氮演化中的一个关键模块

结瘤共生固氮是自然界中氮素还原效率最高的形式之一，其还原氮素几乎完全供应给宿主，为宿主提供主要的氮素来源。例如，根瘤菌共生固氮可以为大豆提供约75%的氮素。然而，这种共生固氮的宿主范围极为狭窄，仅限于进化上独立的蔷薇分支植物，因此这些植物也被称为固氮分支植物（Nitrogen-Fixing Clade, NFC）。结瘤共生固氮分为两种形式：根瘤菌共生固氮和放线菌共生固氮。前者的宿主包括豆科植物及目前已知的唯一非豆科植物—山黄麻属植物（Parasponia），而后者的宿主则限于蔷薇目、葫芦目和壳斗目植物，如沙棘、杨梅和桤木等。这两种固氮形式的共同特征是大量固氮细菌定殖于根瘤共生细胞内，为宿主提供主要的氮素来源，并通过物质交换实现互惠共生。科学家们广泛关注的是：在遗传演化上，NFC植物的基因组中获取了哪些特异基因，使其具备了结瘤固氮的能力？

2016年，华中农业大学生物固氮团队从蒺藜苜蓿中克隆并命名了NAD1（NODULES WITH ACTIVATED DEFENSE1）基因。在蒺藜苜蓿nad1缺失突变体中，根瘤的免疫反应过度激活，导致根瘤菌定殖受阻及固氮活性丧失（Wang et al., New Phytol, 2016）。随后研究发现，蒺藜苜蓿中的MtCDPK5-MtRbohB/C/D通路介导了nad1缺失突变体根瘤中的ROS产生，这可能是根瘤免疫反应的部分机制（Yu et al., New Phytol, 2018）。基于这些发现，研究团队提出了根瘤菌定殖可能受类似植物PTI（Pattern-Triggered Immunity）免疫通路的调控（Yu et al., Trends Plant Sci, 2019）。然而，nad1突变体根瘤中免疫反应的触发机制及其调控受体仍待进一步研究。

为了深入探究NAD1在结瘤共生中的作用，研究团队通过全基因组比较分析和共线性分析，对NAD1的演化过程进行了研究，发现NAD1同源基因仅存在于NFC植物基因组中，是目前已知唯一的NFC特有基因。这一研究结果近日发表在The Plant Cell上，论文题为“Conservedcis-elements enableNODULES WITH ACTIVATED DEFENSE1regulation by NODULE INCEPTION during nodulation”（DOI: 10.1093/plcell/koae229）。根瘤菌定殖不仅在蒺藜苜蓿nad1突变体根瘤中受阻，在百脉根nad1突变体中，根瘤菌定殖和类菌体发育也表现为异常，且根瘤固氮活性显著降低。

进一步研究发现，结瘤起始蛋白NIN直接结合NAD1基因启动子上的保守顺式作用元件NACE1、NACE2和NACE3，从而调控NAD1的根瘤特异表达。在豆科植物基因组中NACE1/2/3均保守存在；而在放线菌植物基因组中，只有NACE2/3保守存在。研究还发现，蒺藜苜蓿nin-16突变体根瘤表现出与nad1突变体相似的表型，即共生体膜和类菌体发育的异常。由于NIN也是结瘤共生固氮演化中一个不可缺少的组分，因此该研究暗示NIN—NAD1调控模块可能是驱动结瘤共生固氮演化中根瘤菌成功定殖的关键因素。该研究不仅丰富了结瘤共生固氮的分子调控基础，为深入了解根瘤共生固氮的起源演化提供了关键数据。

蒺藜苜蓿NAD1基因编码的蛋白仅由96个氨基酸组成，含有双跨膜域。NAD1抑制根瘤菌定殖中免疫反应的生物学功能是什么？蒺藜苜蓿nad1突变体中共生细胞内类菌体发育异常，也可能与细胞内离子失衡有关。此外，NAD1同源基因在放线菌共生植物中也特异存在，因此，NAD1是否也参与调控放线菌共生结瘤？这些问题仍有待进一步研究。

华中农业大学生命科学技术学院余海翔博士为该论文的第一作者，肖爱芳博士、邹中民、吴秋锦、陈琳、张丹丹博士和孙毓章参与该研究工作，华中农业大学曹扬荣教授为通讯作者，华中农业大学张忠明教授、朱辉副教授、曹剑波博士参与合作研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及生科院龙云计划和百川计划等项目资助。